香根草對撲草凈污染水體的凈化潛力

石傲傲，鄭 毅，張 坤，鄧志華，角慈梅，孫仕仙

（1. 西南林業(yè)大學 國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學 濕地學院，云南 昆明650224；3. 云南開放大學 鄉(xiāng)村振興教育學院，云南 昆明 650223；4. 云南農業(yè)大學 植物保護學院，云南 昆明650221；5. 西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650224）

撲草凈(4,6-雙異丙胺基-2-甲硫基-1,3,5-三嗪)是一種低毒、高選擇的內吸性除草劑，因殺草譜廣、藥效長、除藻效果明顯等優(yōu)點被廣泛應用于農業(yè)生產和水產養(yǎng)殖中[1]，在水中溶解度低(25 ℃，48 mg·L-1)，半衰期為1～3月，化學性質穩(wěn)定，難降解，對生態(tài)環(huán)境的影響已經引起世界各國的關注[2]。2010年撲草凈被農業(yè)部第1 435號公告列入《獸藥試行標準廢止標準目錄》[3]，但許多地區(qū)仍將其作為水質改良劑大量用于水產養(yǎng)殖中，造成水環(huán)境污染，水產品撲草凈殘留檢出甚至超標[4-5]。此外，撲草凈是一種環(huán)境內分泌干擾物質，經食物鏈傳遞進入體內，可導致生物體內分泌系統(tǒng)、生殖器官、神經系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)異常等，威脅生物體健康[6-8]。因此，解決撲草凈對水環(huán)境的污染問題刻不容緩。植物修復是運用植物遏制、降解或提取環(huán)境中外源性污染物的技術，具有高效、環(huán)保、無公害、成本低的優(yōu)點[9]。香根草Vetiveria zizanioides又名巖蘭草，為禾本科Gramineae香根草屬Vetiveria多年生C4草本植物，根系發(fā)達，生物量大，適應性廣，是較理想的水土保持植物[10]。近年來，香根草在環(huán)境修復領域應用廣泛，對重金屬鐵、鎳、鉻、錳等有較強的富集能力，可有效凈化富營養(yǎng)化水體并吸收降解環(huán)境中的阿特拉津[11-13]。撲草凈是一種三氮苯類除草劑，化學結構與阿特拉津相似。目前，尚未有香根草修復不同質量濃度撲草凈污染水體的相關報道。因此，本研究利用溫室水培試驗，分析不同初始質量濃度撲草凈污染下，水體撲草凈質量濃度和香根草體內撲草凈質量分數(shù)的動態(tài)變化，為應用香根草修復農藥污染水體提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試香根草購于江西紅壤研究所，試驗場地為西南林業(yè)大學格林溫室，試驗時間為2019年5-7月。選擇苗齡及長勢一致的香根草植株，以改良Hoagland營養(yǎng)液[14]為母液，稀釋2倍后作為水培溶液。撲草凈標準品購于濟南仁諾化工有限公司。

1.2 實驗設計

設置香根草種植組(T)和未種植香根草組(N)，在培養(yǎng)液中添加不同質量濃度(1.0、5.0、10.0、15.0 mg·L-1)撲草凈，分別標記為T1、T5、T10、T15和N1、N5、N10、N15，以種植香根草未添加撲草凈為對照(T0)，于第0、5、10和15天分別取樣，其中T組采集水體樣品和植物樣品，N組采集水體樣品。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水體撲草凈質量濃度測定 根據(jù)質量差法采集水樣，用乙酸乙酯萃取。采用GC-MS(Thermo Fishsher，美國)測定水體中撲草凈質量濃度。測試條件為：TG-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進樣口溫度250 ℃，離子傳輸線溫度250 ℃，離子源溫度250 ℃。升溫程序為：初始溫度40 ℃，保持1.0 min，35 ℃·min-1升至180 ℃，保持1.0 min，然后以20 ℃·min-1的速率升至280 ℃，保持1.5 min，不分流進樣。進樣量為1 μL；載氣為氦氣；掃描離子質荷比為184、241、58。

1.3.2 植物不同部位撲草凈質量分數(shù)測定 莖葉、根系分別稱取(2.00±0.01) g，剪成2～3 mm碎片。用乙腈超聲提取。采用GC-MS測定植物不同部位撲草凈質量分數(shù)，儀器測定條件同水樣。

1.4 計算方法與數(shù)據(jù)分析

轉移系數(shù)FT＝C1/C2，其中C1為莖葉撲草凈質量分數(shù)(mg·kg-1)，C2為根系撲草凈質量分數(shù)(mg·kg-1)。

Ct＝C0e-kt，其中Ct為t時間點水體撲草凈質量濃度(mg·L-1)，C0為水體撲草凈初始質量濃度(mg·L-1)，k為降解速率常數(shù)，t為施藥后的天數(shù)(d)。

撲草凈去除率R=[(C0-Ct)/C0]×100%。撲草凈相對去除率R0=RT-RN，其中RT、RN分別為相同初始質量濃度及培養(yǎng)時間下，T組及N組撲草凈去除率(%)。

采用WPS 2018整理數(shù)據(jù)，SPSS 19.0進行單因素方差分析，分析方法為Duncan比較法，采用R語言進行相關性分析，Oringin 2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 撲草凈標準曲線及加標回收率

準確稱取103 mg撲草凈標準品，溶于100 mL乙腈中，得到1 000.0 mg·L-1撲草凈標準儲備液；然后用正己烷逐級稀釋為標準溶液，測定色譜峰面積。結果表明：撲草凈在0～20.0 mg·L-1范圍內線性良好，線性回歸方程為y=2.303x+1.727，相關系數(shù)為0.999。方法的檢出限為0.001 mg·L-1。

取空白水樣30 mL，植物樣品各2.00 g，分別添加 0.5、1.0、1.5 mg·L-1標準溶液，每個加標水平3個重復。測定不同類型樣品加標回收率。其中水樣加標回收率為(88.76±4.62)%，根系為(98.23±4.04)%，莖葉為(94.38±4.03)%，相對標準偏差為(4.03～4.62)%，表明該方法符合實驗要求。

2.2 撲草凈在香根草不同部位中的動態(tài)分布規(guī)律

由圖1A可以看出：隨培養(yǎng)時間延長，T組水體撲草凈質量濃度呈下降趨勢。T1、T5處理，培養(yǎng)15 d水體撲草凈較5 d分別降低了81.08%、44.39%，T10、T15處理分別降低了48.99%、47.77%。T1處理，培養(yǎng)15 d后水體撲草凈質量濃度為0.14 mg·L-1，為培養(yǎng)10和5 d的33.33%和19.92%；T15處理，培養(yǎng)15 d后水體撲草凈質量濃度為4.56 mg·L-1，為培養(yǎng)10和5 d的73.43%和52.23%。表明香根草對不同初始質量濃度撲草凈污染水體具有一定修復效果。對不同培養(yǎng)時間下的水體撲草凈質量濃度與初始質量濃度進行擬合，發(fā)現(xiàn)水體撲草凈質量濃度與撲草凈初始質量濃度呈線性關系，5、10、15 d擬合方程分別為：y5=0.50+0.60x、y10=0.31+0.43x、y15=0.21+0.32x，決定系數(shù)分別為0.961、0.965、0.950；培養(yǎng)時間越長，擬合方程斜率越小，說明撲草凈初始質量濃度對水體撲草凈質量濃度影響較大。

由圖1B可知：T組不同處理根系撲草凈質量分數(shù)均為第5天最大，隨培養(yǎng)時間延長，T1、T5處理下香根草根系撲草凈質量分數(shù)下降，T10、T15處理下先下降后上升。不同處理根系撲草凈質量分數(shù)培養(yǎng)10 d較5 d分別減少了52.37%、47.87%、59.30%、47.45%，15 d較5 d分別減少了71.29%、79.23%、39.14%、31.17%。推測5 d時其根部吸收撲草凈達到最大值，隨后向莖葉發(fā)生轉移，根系繼續(xù)吸收水培溶液中的撲草凈，使得根系撲草凈質量分數(shù)再次上升。對不同培養(yǎng)時間下的撲草凈初始質量濃度與根系撲草凈質量分數(shù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)兩者呈線性關系，5、10、15 d的擬合方程分別為：y5=0.52+3.84x、y10=-0.10+1.86x、y15=-2.41+2.65x，決定系數(shù)分別為0.952、0.988和0.929，說明不同培養(yǎng)時間下，撲草凈初始質量濃度對香根草根系撲草凈質量分數(shù)影響密切。

由圖1C可知：T組不同處理下香根草莖葉中撲草凈質量分數(shù)在培養(yǎng)5 d時達到峰值，隨培養(yǎng)時間延長持續(xù)降低；不同處理莖葉中撲草凈質量分數(shù)培養(yǎng)10 d較5 d分別降低了35.85%、51.80%、39.77%、29.43%，培養(yǎng)15 d時較5 d分別降低了55.09%、70.00%、58.07%、54.30%。對不同培養(yǎng)時間下的撲草凈初始質量濃度與莖葉撲草凈質量分數(shù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)莖葉撲草凈質量分數(shù)與撲草凈初始質量濃度正相關，斜率隨培養(yǎng)時間延長而減小。5、10、15 d的擬合方程分別為：y5=2.37+0.84x、y10=0.97+0.59x、y15=0.70+0.38x，決定系數(shù)分別為0.816、0.954和0.941，說明隨著培養(yǎng)時間增加，香根草莖葉撲草凈質量分數(shù)降低。

由表1可知：相同培養(yǎng)時間下，香根草轉移系數(shù)均隨撲草凈初始質量濃度增加而降低。相比T1，培養(yǎng)5 d時T5、T10、T15香根草轉移系數(shù)分別降低了30.95%、70.24%、71.43%，培養(yǎng)10 d時分別降低了54.46%、66.96%、70.54%，培養(yǎng)15 d時分別降低了32.06%、87.02%、87.79%。相同初始質量濃度處理下，香根草轉移系數(shù)隨培養(yǎng)時間延長呈波動趨勢。T1、T5處理，香根草轉移系數(shù)培養(yǎng)15 d較5 d分別增加55.95%、53.45%，T10、T15處理，香根草轉移系數(shù)培養(yǎng)15 d較5 d分別降低32.00%、33.33%。表明香根草對水體撲草凈的吸收、轉移受初始質量濃度、培養(yǎng)時間影響。

表1 不同處理下香根草轉移系數(shù)Table 1 Transfer coefficient of V. zizanioides under different treatments

2.3 水培溶液中撲草凈的去除動態(tài)

采用一級反應動力學方程擬合不同培養(yǎng)時間下水體撲草凈質量濃度的動態(tài)分布規(guī)律。水體添加不同質量濃度撲草凈后，T組(圖2A)和N組(圖2B)水體撲草凈的降解趨勢均符合一級反應動力學方程，擬合度較高，培養(yǎng)時間與水體撲草凈質量濃度均呈指數(shù)衰減趨勢，最后逐漸趨于穩(wěn)定。結合表2可知：不同初始質量濃度撲草凈污染水體中，T組撲草凈半衰期為7.42～13.82 d，N組為22.23～33.34 d，種植組較未種植組縮短了14.80～19.78 d；T組降解速率高于N組(P＜0.05)，表明種植香根草可加速水體中撲草凈的降解，使降解半衰期提前。由表3可知：不同初始質量濃度撲草凈污染的水體中，水體撲草凈去除率T組高于N組(P＜0.05)；培養(yǎng)15 d，T組水體撲草凈去除率為52.27%～85.88%，N組為29.16%～39.55%，去除率提高了22.52%～55.57%(P＜0.05)，表明香根草對不同初始質量濃度撲草凈污染水體均有修復效果，1.0 mg·L-1初始質量濃度處理下，香根草對水體撲草凈去除率最高。

圖2 不同處理下水體撲草凈質量濃度與培養(yǎng)時間的關系Figure 2 Relationship between prometryn concentration and cultivation time under different treatments

表2 不同處理下水體撲草凈降解速率和半衰期Table 2 Degradation rate and half-life of prometryn in water under different treatments

表3 不同處理下水體撲草凈去除率Table 3 Prometryn removal rate in water under different treatments

2.4 相關性分析

對撲草凈初始質量濃度與香根草不同部位撲草凈質量分數(shù)及水體撲草凈質量濃度、轉移系數(shù)、去除率作相關性分析。由表4可知：撲草凈初始質量濃度與香根草轉移系數(shù)呈極顯著負相關(P＜0.01)，與香根草莖葉、根系撲草凈質量分數(shù)呈極顯著正相關(P＜0.01)，與相對去除率相關性不顯著(P＞0.05)，相對去除率與培養(yǎng)時間呈極顯著正相關(P＜0.01)，與轉移系數(shù)相關性不顯著(P＞0.05)；轉移系數(shù)與水體撲草凈質量濃度、香根草莖葉、根系撲草凈質量分數(shù)均呈極顯著負相關(P＜0.01)。

表4 撲草凈初始質量濃度與香根草不同部位撲草凈質量分數(shù)、相對去除率的相關性Table 4 Correlation between initial concentration and the concentration of prometryn in V. zizanioides and relative removal rate

3 結論與討論

水體農藥污染修復技術中，植物修復因無二次污染、修復徹底等優(yōu)點成為研究的熱點[14]，核心要素是植物的選擇，因此，明確香根草對不同質量濃度撲草凈的凈化潛力尤為關鍵。研究發(fā)現(xiàn)：種植燈心草Juncus effusus和美人蕉Canna indica可顯著提高農藥的去除效率。本研究發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)15 d時，香根草種植組水體撲草凈去除率較未種植組提高了22.52%～55.57%，表明香根草對撲草凈污染水體有修復效果。與Lü等[15]和董靜等[16]研究一致。但不同植物對農藥的吸收和降解效果存在差異。研究發(fā)現(xiàn)：蘆葦Phragmites australis對特丁津的去除率高于寬葉香蒲Typha latifolia[17]，蓉草Leersia oryzoides對莠去津、二嗪農的去除率高于寬葉香蒲[18]。NI等[19]研究表明：培養(yǎng)30 d時，銅錢草Hydrocotyle vulgaris對0.5 mg·L-1撲草凈去除率較未種植植物提高了37%，就撲草凈的去除效果而言，香根草優(yōu)于銅錢草，可能與初始質量濃度、植物種類、生物量和根際微環(huán)境差異等多個因素有關。

自然環(huán)境中，水體中農藥的去除或降解受多種因素影響，如水解、水/有機物分配、微生物降解等[20]。植物可提高降解效率，縮短農藥半衰期[21]。本研究發(fā)現(xiàn)：不同初始質量濃度撲草凈處理下，相比未種植組，香根草種植組水體撲草凈半衰期顯著縮短；但T15半衰期較其他處理長，可能是該質量濃度已經脅迫到香根草的正常生理活動，其修復效果受到影響，但與N15相比，仍提高了修復效率。

研究植物對有機污染物的吸收、轉移特征，對明確有機污染物的環(huán)境行為、生態(tài)風險評價及植物修復等都具有重要的意義[22]。本研究中香根草體內撲草凈質量分數(shù)主要與撲草凈初始質量濃度有關，這與王慶海等[23]對黃菖蒲Iris pseudacorus的研究結果基本一致。本研究中各處理香根草根系撲草凈質量分數(shù)培養(yǎng)第5天達到峰值，繼續(xù)培養(yǎng)，高質量濃度(T10、T15)下先下降后上升，原因可能是培養(yǎng)5 d時，香根草根部吸收撲草凈量達到飽和，隨后向地上部轉移，根系繼續(xù)吸收水體中的撲草凈。香根草莖葉撲草凈質量分數(shù)與撲草凈初始質量濃度呈正相關，與培養(yǎng)時間呈負相關。這與JIN等[24]對綠藻研究結果相似。SUN等[25]也發(fā)現(xiàn)香根草根系對撲草凈的吸收并不呈線性關系，而是呈先上升后波動下降的趨勢，與本研究一致。

轉移系數(shù)可作為評價植物從根系向莖葉轉移撲草凈能力的指標[26]。不同培養(yǎng)時間下，香根草轉移系數(shù)均隨撲草凈初始質量濃度增加而降低。低質量濃度(1.0 mg·L-1)時，轉移系數(shù)大于1。這表明低質量濃度脅迫時，通過從地下部分向地上部分轉移撲草凈，植物根系與地上部一起協(xié)同吸收降解撲草凈。高質量濃度(10 mg·L-1)時，轉移系數(shù)先升高后降低，可能是隨著脅迫質量濃度升高，植物地下部分向地上部分的物質傳輸能力降低，水體撲草凈的去除以根系吸收降解撲草凈為主。與何發(fā)林等[27]的結論一致。低質量濃度農藥脅迫下，香根草根系活力提高，代謝速率升高，而高質量濃度農藥則會對植物產生毒害作用，植物生長受到抑制甚至死亡。植物將大部分污染物滯留或固定在根部，阻止或減少其向地上部分運輸，被認為是植物減輕對地上部的毒害，增強植物耐性的重要機制之一[28]。這也是高質量濃度撲草凈脅迫下，香根草轉移系數(shù)降低的原因，與宋清梅等[29]研究結果一致。

相關性分析表明：撲草凈初始質量濃度與香根草轉移系數(shù)呈顯著負相關(P＜0.05)，去除率與培養(yǎng)時間呈極顯著正相關(P＜0.01)，表明隨撲草凈初始質量濃度增加，轉移系數(shù)降低；不同初始質量濃度撲草凈脅迫下，香根草相對去除率變化不大，但隨培養(yǎng)時間延長而增大。說明撲草凈污染水體中香根草存在根際效應[30]，即植物對污染物的去除效率與其根部生物量密切相關。香根草適應性廣，根系發(fā)達，生物量大[31]，是植物修復撲草凈污染水體的理想選擇。